Aus der WO 97/35106 ist eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einrichtung umfaßt ein dyna- misches Modell des Ansaugtraktes und einer externen Abgas- rückführung der Brennkraftmaschine, das aus Gleichungen für die Massenstrombilanzen im Ansaugtrakt und der Abgasrückfüh- reinrichtung und der Durchflußgleichungen idealer Gase an Drosselstellen abgeleitet ist. Eingangsgrößen des dynamischen Modells sind die Meßgrößen Drehzahl und Öffnungsgrad der Drosselklappe.

Bei Brennkraftmaschinen mit einer Laststeuerung durch die Gaswechselventile, also die Ein-und Auslaßventile, erfolgt in weiten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine keine oder nur eine geringe Drosselung der Ansaugluft im Ansaugtrakt.

Zum Desorbieren von Kraftstoffdämpfen aus einem Aktivkohle- filter einer Tankentlüftungseinrichtung und Ableiten der Kraftstoffdämpfe über ein Tankentlüftungsventil in den An- saugtrakt der Brennkraftmaschine oder zum Gewährleisten, daß eingespritzter Kraftstoff auch im leerlaufnahen Drehzahlbe- reich mit hoher Güte mit der Ansaugluft vermischt wird oder verdampft, erfolgt eine Drosselung der Ansaugluft in dem An- saugtrakt der Brennkraftmaschine, durch die Vorgabe eines Saugrohrdrucks.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steu- ern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die den Saugrohr- druck in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine genau ein- stellt und die zudem einfach ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa- tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Regler vcr- gesehen ist, der den Saugrohrdruck mit hoher Güte einstellt.

Die Regelparameter des Reglers werden dabei während des Be- triebs der Brennkraftmaschine angepaßt abhängig von aktuellen Werten von Größen, die ein Beobachter ermittelt, der ein dy- namisches Modell des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine um- faßt. Ein derartiger Beobachter ist vorzugsweise ohnehin vor- handen zum Berechnen beispielsweise des Gasmassenstroms, der von dem Zylinder angesaugt wird. Die Regelparameter des Reg- lers können somit ohne zusätzlichen Rechenaufwand angepaßt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati- schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Figur l : eine Brennkraftmaschine, Figur 2 : ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung für die Brennkraftmaschine mit einem dynamischen Modell, ei- nem Regler und einer Vorsteuerung.

Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Saugstutzen 10, einem Sammler 11 und einem Einlaß- kanal 12. Die Brennkraftmaschine umfaßt ferner einen Motor- block 2, der den Zylinder Zl und eine Kurbelwelle 23 auf- weist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylin- der Zl zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden. Ein Zylinderkopf 3 ist vor- gesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. Jedem der Gaswechselventile, die als Einlaßventil 30 und als Auslaßven- til 31 ausgebildet sind, ist ein Ventilantrieb 32, 33 zuge- ordnet. Die Ventilantriebe 32, 33 steuern den Hubbeginn, die

Dauer des Hubes und somit das Hubende und ggf. den Hubbetrag des jeweiligen Gaswechselventils. Die Ventilantriebe 32, 33 sind vorzugsweise als elektromechanische Stellantriebe ausge- bildet mit mindestens einem Elektromagneten, einem Anker mit einer Ankerplatte, die zwischen einer ersten Anlagefläche des Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche beweglich-ist und die mit mindestens einem Rückstellmittel einem Feder- Masse-Schwinger bildet. Durch entsprechendes Bestromen oder Nicht-Bestromen einer Spule des Elektromagneten wird das Gas- wechselventil in eine Offenposition oder eine Schließposition gebracht. Die Ventilantriebe 32, 33 können auch elektrohy- draulisch oder in einer sonstigen, dem Fachmann bekannten Weise derart ausgebildet sein, daß ein zum Einstellen der Last ausreichendes Ansprechverhalten des Stellantriebs ge- währleistet ist. In dem Ansaugtrakt 1 ist ein Einspritzventil 15 in dem Einlaßkanal 12 angeordnet. In dem Zylinderkopf 3 ist ferner eine Zündkerze eingebracht. Das Einspritzventil 15 kann alternativ auch derart in dem Zylinderkopf 3 angeordnet sein, daß der Kraftstoff direkt in dem Brennraum des Zylin- ders Zl zugemessen wird.

Neben dem Zylinder Zl umfaßt die Brennkraftmaschine noch wei- tere Zylinder Z2, Z3 und Z4, denen entsprechend ein Ein-und Auslaßventil, Ventilantriebe, Einspritzventile und Zündkerzen zugeordnet sind.

Ein Abgastrakt 4 mit einem Katalysator 40 und einer Sauer- stoffsonde ist der Brennkraftmaschine zugeordnet. Ferner ist eine Tankentlüftungseinrichtung vorgesehen mit einem ersten Rohr 51, das über einen Kraftstofftank 52 mit einem Aktivkoh- lefilter 53, das Kraftstoffdämpfe, adsorbiert und desorbiert verbunden. Das Aktivkohlefilter 53 ist über ein zweites Rohr 54 mit dem Sammler 11 verbunden. In dem zweiten Rohr 54 ist ein Tankentlüftungsventil 55 angeordnet, das durch Vorgabe eines Tastverhältnisses TVTEV angesteuert wird.

Eine Steuereinrichtung 6 ist vorgesehen, der Sensoren zuge- ordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße Stellsignale zum Steuern der Ventilantriebe 32, 33, des Einspritzventils 15, der Zündkerze 34, des Tankentlüftungsventils 55 und de-r Drosselklappe 14.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 71, der eine Pedal- stellung PV des Fahrpedals 7 erfaßt, ein Positionssensor 16, der einen Öffnungsgrad aDKder Drosselklappe 14 erfaßt, ein Luftmassenmesser 17, der einen Luftmassenstrom m, erfaßt, ein erster Temperatursensor 18, der eine Temperatur TL1 des von dem Zylinder Z1 angesaugten Gasgemisches erfaßt, ein Kurbel- wellenwinkel-Geber 24, der einen Kurbelwellenwinkel KW er- faßt, aus dessen zeitlichen Verlauf in der Steuereinrichtung 6 die Drehzahl N der Kurbelwelle 23 berechnet wird, ein zwei- ter Temperatursensor 25, der eine Kühlmitteltemperatur TKUEL erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine be- liebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzli- che Sensoren vorhanden sein. Der erste Temperatursensor 18 kann beispielsweise auch stromaufwärts der Drosselklappe 14 angeordnet sein.

Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.

Ein physikalisches Modell der Brennkraftmaschine ist in der Steuereinrichtung 6 gespeichert und wird von dieser abgear- beitet. Ein Saugrohrdruck ps in dem Ansaugtrakt und ein Gas- massenstrom th, vi in den Zylinder Z1 werden mittels dieses Mo- dells berechnet. Das dynamische Modell wird im folgenden er- läutert. Für den Saugrohrdruck ps läßt sich folgende Diffe- rentialgleichung aus der Zustandsgleichung idealer Gase, also der Massenstrombilanz aufstellen :

,<BR> <BR> Ps # = @@@ (#DK + #AGR - #zyl)<BR> <BR> <BR> pu Dabei bezeichnet R die allgemeine Gaskonstante, Vs das Volu- men des Ansaugtraktes stromabwärts der Drosselklappe 14, TL die Temperatur des vom Zylinder angesaugten Gasgemisches, mDK den Luftmassenstrom an der Drosselklappe, fi2AGR den aus interner Abgasrückführung resultierenden Massenstrom und mv, den Gasmassenstrom in den Zylinder Z1.

Der Luftmassenstrom MDK an der Drosselklappe 14 wird aus der Durchflußgleichung idealer Gase durch Drosselstellen abgelei- tet. Demnach gilt mit für unterkritische Druckverhältnisse und für kritische Druckverhältnisse. Dabei bezeichnet ADK den Strömungsquerschnitt an der Drosselklappe 14, ic den Adiaba- ten-Exponenten (K ist z. B. 1, 4), TDK die Durchflußfunktion für die Drosselklappe, po den Umgebungsdruck und Pq, krit ein kritisches Druckverhältnis zwischen dem Saugrohrdruck ps und dem Umgebungsdruck po mit dem Wert 0, 52.

Falls bevorzugt ein elektromechanischer Ventilantrieb 32, 33 eingesetzt wird, so gewährleisten entsprechende Funktionen in der Steuereinrichtung 6, daß Bauteilstreuungen der Ventila- triebe 32, 33 mit einer so ausreichenden Güte kompensiert werden, daß der von dem Zylinder Z1 angesaugte Gasmassenstrom my, abhängig von einem Soll-Mengenstrom in den Zylinder-Zl ermittelt werden kann. Demnach ergibt sich die Beziehung <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> mvl =Vy RT (F5)<BR> <BR> <BR> #zyl = Vzyl RTL,1 (F5) Eine interne Abgasrückführung erfolgt durch entsprechendes Einstellen der Ventilüberschneidung, die definiert ist als der Bereich des Kurbelwellenwinkels KW, in dem sowohl das Einlaßventil 30 als auch das Auslaßventil 31 zumindest einen Teil ihrer Strömungsquerschnitte am Ein-und Auslaßkanals des Zylinders freigeben. Bei interner Abgasrückführung strömt ein Teil des Abgases zurück in den Ansaugtrakt 1 und wird dann im folgenden Ansaugtakt wieder in den Brennraum des Zylinders Zl angesaugt. Falls ein Druckgefälle von dem Abgastrakt 4 hin zu dem Zylinder Zl und weiter hin zu dem Ansaugtrakt 1 besteht, so strömt auch Abgas von dem Abgastrakt 4 zurück in den Zy- linder Z1 und von dort in den Ansaugtrakt 1.

Der aus interner Abgasrückführung resultierende Massenstrom mA (; R hängt wesentlich ab von einem Winkelabschnitt #VUE der Ventilüberschneidung, der bezogen ist auf den Kurbelwellen- winkel KW ist und in dem sowohl das Einlaßventil 30 als auch das Auslaßventil 31 zumindest einen Teil ihrer Strömungsquer- schnitte am Ein-und Auslaßkanal des Zylinders Zl freigeben.

Der aus interner Abgasrückführung resultierende Massenstrom mAGR wird aus der Durchflußgleichung idealer Gase durch Dros- selstellen abgeleitet. Es gilt :

mit für unterkritische Druckverhältnisse und für überkritische Druckverhältnisse, wobei AEV der Strömungs- querschnitt an dem Einlaßventil 30 ist, TAG die Abgastempera- tur ist, PAG der Abgasdruck in dem Zylinder Z1 während der Ventilüberschneidung ist und WAG die Durchflußfunktion an dem Einlaßventil 30 ist. Der freie Strömungsquerschnitt AEV an dem Einlaßventil 30 während der Ventilüberschneidung wird hauptsächlich durch die Dauer der gleichzeitigen Öffnung des Ein-und Auslaßventils 30, 31 bestimmt. Je größer der Win- kelabschnitt ÇVtxE der Ventilüberschneidung ist, desto größer ist der Strömungsquerschnitt AEV an dem Einlaßventil 30. Bei einem gleichen Winkelabschnitt #VUE der Ventilüberschneidung wird durch ein Verschieben eines Schwerpunktwinkels (IL der Ventilüberschneidungsfläche bezogen auf den oberen Totpunkt LW-OT in Richtung des Abgastaktes die rückströmende Abgas- masse verringert.

Setzt man die Beziehung (F2), (F5), (F6) in (Fl) ein, so er- gibt sich daraus folgende Beziehung für den Saugrohrdruck ps : Mit den Abkürzungen

ergibt sich : Für eine zeitdiskrete Darstellung der Beziehung (F12) wird ein Ansatz nach der Trapezintegration gemacht. Alternativ kann jedoch auch ein beliebiges anderes zeitdiskretes Inte- grationsverfahren, wie z. B. das Euler-Verfahren, eingesetzt werden. Ein Index i kennzeichnet jeweils den Wert der jewei- ligen Größe im aktuellen Berechnungszyklus, ein Index i-1 kennzeichnet jeweils den Wert der jeweiligen Größe aus dem letzten Berechnungszyklus.

Mit dem Ansatz der Trapezintegration ergibt sich für den Saugrohrdruck ps, i im aktuellen Berechungszyklus die Bezie- hung: ps,j = psj-1 + tA/2(#s,t-1 + #s,j) (F13) wobei Ps die zeitliche Ableitung des Saugrohrdrucks ist und tA die Abtastzeit ist, d. h. die Zeitdauer von einem Beginn eines Berechnungszyklusses bis zum Beginn des nächsten Be- rechnungszyklusses.

Für die Abtastzeit tA wird vorzugsweise die Segmentzeit tSEG vorgegeben, die gegeben ist durch, 1 tSEG = N # Z (F14) wobei Z die Zylinderzahl und N die Drehzahl ist.

Die Beziehung (F12) eingesetzt eingesetzt in (F13) ergibt Wird (F15) nach dem Saugrohrdruck ps aufgelöst, so ergibt sich die rekursive Modellgleichung : Für die zeitliche Ableitung pus des Saugrohrdrucks kann nähe- rungsweise angesetzt werden #Sj-1 = psj-1 - psj-1 (F17) Die Beziehung (F12) kann jedoch auch so umgeformt werden, daß sich ergibt : mit T@ = Vs/#zyl (F20) ergibt sich

wobei (F21) die Modellgleichung des Modells des Ansaugtraktes 1 ist und Tl die Zeitkonstante dieses Modells und Km die Ver- stärkung dieses Modells sind.

In Figur 2 sind die für die Erfindung relevanten Teile der Steuereinrichtung 6 in einem Blockdiagramm dargestellt. Ein Beobachter B1, der das dynamische Modell des Ansaugtraktes umfaßt, wobei die Beziehungen (F15), (F19), (F20), (F5), (F21), (F19) und (F20) in dem Beobachter in Form eines Pro- gramms, das in der Steuereinrichtung 6 gespeichert ist und in dieser auch abgearbeitet wird, jeweils einmal pro Berech- nungszyklus neu berechnet werden.

Bevorzugt werden die in den Beziehungen (Fl) bis (F20) ent- haltenen Wurzel-Terme und einzelne Größen aus Kennlinien oder Kennfeldern ermittelt. So wird beispielsweise ein mittlerer Strömungsquerschnitt AÆV an dem Einlaßventil 30 während der Ventilüberschneidung aus einem Kennfeld abhängig von dem Win- kelabschnitt ÇVtlE der Ventilüberschneidung, der vorgegeben ist, ermittelt. Der Wert cl der Beziehung (F10) wird aus ei- ner Kennlinie abhängig von der Temperatur TLO der Ansaugluft im Bereich der Drosselklappe 14 ermittelt. Die Temperatur Tu) wird abhängig von der Kühlmitteltemperatur TKUEHL und der An- sauglufttemperatur TL1 ermittelt. Der Wert c2 der Beziehung (F11) wird aus einem Kennfeld abhängig von einer Abgastempe- ratur TAG ermittelt. Die Abgastemperatur TAG kann dabei mit guter Genauigkeit aus dem in dem letzten Berechnungszyklus berechneten Gasmassenstrom fiiyl in den Zylinder Z1 abgeschätzt werden. Der Umgebungsdruck po liegt entweder als Meßwert ei- nes Umgebungsdrucksensors vor oder wird in vorgegebenen Be- triebszuständen-z. B. bei vollständig geöffneter Drossel- klappe 14-aus dem Saugrohrdruck ps ermittelt. Die Durch- flußfunktion VIL) K an der Drosselklappe 14 wird ebenfalls aus einer Kennlinie ermittelt und zwar abhängig von dem Umge- bungsdruck po und dem Verhältnis eines Näherungswertes des Saugrohrdrucks ps des aktuellen Berechnungszyklus, der mit- tels eines numerischen Integrationsverfahrens, beispielsweise

des Euler-Verfahrens, aus dem Saugrohrdruck Ps,i-1 des voran- gegangenen Berechnungszyklusses, der zeitlichen Ableitung Psi-l des Saugrohrdrucks des vorangegangenen Berechnungszy- klusses und der Abtastzeit tA berechnet wird. Statt eines Ab- gasdrucks PAG wird ein mittlerer Abgasdruck pA (ì während der Ventilüberschneidung ermittelt, um so Rechenzeit zu sparen.

Der mittlere Abgasdruck PAG ergibt sich aus der folgenden Be- ziehung : pAG = p0 + pAG,difαVUE,SP (F21) Der Differenzdruck pAG, dif wird einer Kennlinie entnommen, in der Werte des Differenzdrucks durch die Verbrennung des Luft- Kraftstoff-Gemisches in dem Zylinder abhängig von dem in dem vorangegangenen Berechnungszyklus berechneten Gasmassenstrom fil. in dem Zylinder Z1 aufgetragen sind. Ein Korrekturfaktor zist UE,SP ist vorgesehen zur Korrektur des mittleren Abgasdrucks pAG in dem Zylinder Z1 während der Ventilüberschneidung ab- hängig von einem Schwerpunktwinkel #VUE,SP der Ventilüber- schneidung. Der Korrekturfaktor αVUE,SP wird aus einem Kennfeld abhängig von dem Schwerpunktwinkel - der Ventilüber- schneidung ermittelt. Der Schwerpunktwinkel #VUE,SP der Ventil- überschneidung ist der Winkel des Schwerpunkts einer Fläche der Ventilüberschneidung, die in einem Raum gebildet ist, der einerseits durch den Kurbelwellenwinkel KW und andererseits durch den Ventilhub aufgespannt ist.

Die Durchflußfunktion VIA (I dem Einlaßventil 30 wird aus einer Kennlinie abhängig von dem Verhältnis des mittleren Ab- gasdrucks j5AG und des Näherungswertes des Saugrohrdruck ps des aktuellen Berechnungszyklusses ermittelt.

Ein Block B30 umfaßt einen Regler, dessen Regel-und Füh- rungsgröße der Saugrohrdruck ps ist. In einer Summierstelle Sl wird die Differenz des Saugrohrdrucks ps und seines Soll- wertes ps, soll ermittelt und als Regeldifferenz Ps, Diff dem Reg- ler im Block B30 zugeführt. Der Sollwert ps, soll wird bei-

spielsweise abhängig von einer Größe, die die Last an der Brennkraftmaschine repräsentiert, oder abhängig von Saugrohr- druckanforderungen von Funktionen zur Tankentlüftung oder zu der Leerlaufdrehzahl-Regelung ermittelt. Der Regler des Blocks B30 ist vorzugweise als PID-Regler (Proportional-, In- tegral-, Differential-Regler) ausgebildet, dessen rekursive Berechnungsvorschrift lautet : wobei KR ein Verstärkungsfaktor, TN eine Nachstellzeit und Tv eine Vorhaltezeit sind.

Der Nachstellzeit TN wird in einem Block B31 in Anwendung des Polkompensations-Verfahrens die Zeitkonstante T1 des Modells zugeordnet. Die Vorhaltezeit Tv wird durch Multiplikation der Nachstellzeit TN mit einem in einem Block B34 vorgegebenen Wert, der beispielsweise 0, 3 beträgt, ermittelt.

In einem Block B32 wird dem Verstärkungsfaktor KR der inverse Wert der Verstärkung Km des Modells zugeordnet.

Durch die Parametrierung der Nachstellzeit TN, des Verstär- kungsfaktors KR und der Vorhaltezeit Tventsprechend der Be- rechnungsvorschriften der Blöcke B32, B31 und B34 ist gewähr- leistet, daß der Regler des Blocks B30 mit hoher Regelgüte den Saugrohrdruck ps auf seinen Sollwert ps, soii einregeln kann, auch unabhängig vom aktuellen Betriebspunkt, in dem sich die Brennkraftmaschine befindet.

Der Regler des Blocks B30 berechnet gemäß der Berechnungsvor- schrift (F24) einen Regelwert ADK, R des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe.

Die Genauigkeit des Einstellens des Saugrohrdrucks ps auf seinen Sollwert ps, soll kann noch erhöht werden, wenn in einem Block B31 ein Vorsteuerwert ADK, v des Strömungsquerschnitts einer Drosselklappe ermittelt wird. Die Berechnungsvorschrift zum Berechnen des Vorsteuerwertes ADK, v wird aus der Beziehung (F21) unter der Annahme eines stationären Saugrohrdrucks Fs, d. h. pus=0 hergeleitet. Sie lautet wie folgt : In der Summierstelle S2 wird die Summe des Vorsteuerwertes ADK, v und des Regelwertes ADK, R des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe gebildet und als Sollwert ADK, som des Strö- mungsquerschnitts an den Block B35 weitergeleitet. In dem Block B35 wird aus einem Kennfeld abhängig von dem Sollwert ADK, soit des Strömungsquerschnitts an der Drosselklappe 14 ein Sollwert osv des Öffnungsgrades der Drosselklappe ermit- telt. Ein nicht dargestellter Lageregler der Drosselklappe stellt den Sollwert αDK.SP über einen Stellantrieb der Dros- selklappe 14 ein.